20081182104-激光合金化技术的应用
激光合金化技术的应用
激光合金化技术的应用周金科光信0801班20081182015球墨铸铁热轧辊表面激光点状合金化技术针对提高球墨铸铁热轧辊使用寿命的迫切需要,以及传统大面积激光合金化容易在轧辊表面形成贯穿性裂纹的缺点,采用离散强化的概念,在三种不同材质的球墨铸铁表面,进行了激光点状合金化处理方案优选的系统实验研究。
与未经激光处理的球墨铸铁试块进行热疲劳对比试验,对热疲劳试验前后试块的热疲劳裂纹和组织进行分析检测。
设计了应用于输出脉冲激光的斩波器。
实验表明,激光点状合金化处理时,激冷态球墨铸铁表面的合金化层成形差,产生贯穿合金化层的裂纹;而在适当的工艺参数下,珠光体基体球墨铸铁和调质态球墨铸铁上均得到了成形较好无裂纹的合金化点。
激光点状合金化获得的合金化区内是共晶介稳组织或者接近共晶的亚共晶介稳组织,热影响区内组织发生了转变,依奥氏体化温度和冷却速度不同依次形成过热区、完全淬火区和非完全淬火区,非完全淬火区内珠光体显著细化。
合金化层硬度最高可达HV0.2900左右,热影响区硬度也比基体硬度得到较大提高。
热疲劳试验结果表明,调质态球墨铸铁抗热疲劳性能最好,热疲劳试验后表面基本没有发现热疲劳裂纹,经过激光点状合金化处理后,热疲劳裂纹主要产生在合金化区域内,但裂纹被热影响区阻滞不能扩展到基体。
AZ91D镁合金表面激光Al合金化改性研究镁合金具有低的密度和高的阻尼减震性能以及良好的可成型性和切削加工性能,因此近年来其在工业应用中受到越来越多的重视,但是镁合金的室温强度低、耐磨性差和耐蚀性差大大限制了作为工程结构材料的应用范围。
因此,采用表面改性技术以增强镁合金表面化学和力学性能具有重要的现实意义。
为此本文以AZ91D镁合金为研究对象,采用激光表面合金化技术提高镁合金表面性能。
利用现代微观分析技术和性能检测手段,对改性层微观组织结构、性能特征随激光工艺参数的变化规律进行了系统分析。
在试验中找到显著提高镁合金耐蚀性、耐磨性最佳的激光合金化工艺参数。
2008北京国际激光加工“奥林匹克”盛会——记第三届太平洋国际激光与光学应用会议
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激光表面合金化技术在材料加工领域的应用研究
激光表面合金化技术在材料加工领域的应用研究随着科学技术的不断进步，人类在材料加工领域也有了更多的选择。
激光表面合金化技术的应用就是其中一种比较先进的加工方法。
一、激光表面合金化技术的概述激光表面合金化技术是一种现代化的表面处理技术。
它利用激光束的高能量浓缩在材料表面，使表面局部加热至液态或近液态，同时加入合金元素，使元素与基体发生反应，形成新的合金层。
这种反应速度快、处理效果好、表面硬度高、耐腐蚀能力强，使用寿命长等特点，特别适用于提高材料表面的硬度、耐腐蚀能力、摩擦性能等。
二、激光表面合金化技术的应用范围激光表面合金化技术可以应用于多种材料的表面处理，例如钢、铸铁、铝合金、钛合金、镍基合金等。
在机械制造、汽车工业、航空航天制造、医疗器械、电子元器件等行业中有着广泛的应用。
三、激光表面合金化技术在材料加工中的优势1.提高材料表面性能激光表面合金化技术可以使材料表面形成高硬度、高强度、高韧性的合金层，提高材料的机械性能和耐腐蚀性。
2.提高材料加工效率激光表面合金化处理一般比传统的化学沉积、物理气相沉积等表面处理方式更快捷、高效，能极大地提高材料的加工效率。
3.精度更高激光表面合金化技术可以选择性加工材料的局部区域，减少不必要的加工量，提高加工精度和性能，打破传统工艺对材料的百分之百转化率的限制。
四、激光表面合金化技术的局限性1.高成本激光表面合金化需要使用高能量激光器，也需要引入合金元素，使处理成本比传统的表面处理技术更高。
2.深度受限激光表面合金化技术的加工深度受限，一般只有数百微米至数毫米的范围，这在处理较厚的材料时会限制其应用范围。
三、结论激光表面合金化技术可以有效提高材料表面的性能和机械强度，同时可以提高加工效率和精度。
虽然它的成本比传统的表面处理技术更高，但它在一些特定的领域中仍然有着广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，相信激光表面合金化技术也会在未来得到进一步的优化和发展。
激光合金化技术
激光合金化技术
1.激光合金化技术是一种先进的表面处理技术，它能够通过激光束直接熔化表面材料并混合添加物来改善其机械和化学性质。
2.激光合金化技术可以应用于各种材料，包括金属、陶瓷、塑料和复合材料等，并能够实现从微米到毫米尺度的高精度控制。
3.激光合金化技术具有高效性、高精度和高灵活性等优点，且对被处理物料本身的影响较小。
4.激光合金化技术可以实现在表面形成复合材料、金属间化合物、均质合金和非晶态材料等多种新材料，并能够为材料的精细调控提供新的方法。
5.激光合金化技术在汽车、航空、航天、电子和能源等领域有广泛的应用，可以改善材料的表面硬度、磨损和腐蚀性能。
6.激光合金化技术的核心是激光合金化设备，其品质和性能直接影响到合金化效果和经济效益。
7.激光合金化技术的优化和改进需要不断探索新的合金化方法和添加物，并依据不同材料的物理、化学和机械性质进行选择和调制。
8.激光合金化技术的应用还需要关注长期的使用效果和环保问题，充分涉及到合金化成本和可持续性发展问题。
9.激光合金化技术的发展局限在于目前的生产成本和技术水平，但是随着技术的发展和工艺的改进，其应用将逐渐扩展和成熟。
10.激光合金化技术是一种高科技的表面处理技术，其应用前景广阔，但是需要不断探索和优化。
激光合金化
综述报告题目激光合金化Laser Alloying任课老师任振安学生姓名苏雷学号********** 学院材料科学与工程学院专业材料加工工程前言自70年代以来,我国开展了激光处理的研究,开发和应用。
四十多年以来，我国的激光处理已取得了可喜的成绩,有些研究成果已达到了国际领先水平。
激光处理技术已在工业上取得了广泛的应用。
例如,西安内燃机配件厂1990年10月建成全国第一条缸套激光热处理生产线,至1998年底已建成24条激光热处理生产线,生产能力达到年产120万只激光缸套;青岛中发激光技术有限公司已开发生产了5种型号的激光强化机,据统计,该公司产品已在国内80家汽车大修厂、镗缸磨轴厂、缸套厂、大专院校和科研院所使用,取得了明显的经济效益。
激光热处理主要包括激光硬化、激光合金化和激光熔覆。
其中激光合金化和激光熔覆是在激光硬化的基础上发展起来的新工艺,这二种方法均具有改变基材表面的组织能力,同时还具有改变基材表面成分的能力。
这二种方法为在各类材料生成与母材结合良好的高性能(或特殊性能)的表层提供了有效途径。
目前,对激光合金化和激光熔覆两种处理还没有严格的定义和区别,一般认为母材表面成分改变相对较少的方法称激光合金化,而对母材表面成分改变较大或熔覆一层与母材成分完全不同的表面层的方法称激光熔覆。
目前激光熔覆的主要应用是提高材料的耐磨性,在零部件的局部表面制备高耐磨的熔覆层;提高材料的耐腐蚀性,即在材料表面熔覆一层具有高耐腐蚀性的合金层;改变母材表面性能,形成一层具有特殊性能的表面层。
如重庆大学在完成了奥氏体不锈钢表面同步实现合成与涂覆工艺制备生物陶瓷基础上,在比强度高,耐蚀性好、医疗用途更广泛的钛合金表面成功地实现激光束一步合成和涂覆Ca5(PO4)3#(OH)羟基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂层。
该熔覆层具有优良的力学性能,也改善了植入材料弹性模量与生物模量及生物硬组织的匹配性[1]。
本文主要介绍激光合金化。
选区激光融化技术
选区激光融化技术激光融化技术是一种先进的制造技术，通过激光束的高能量聚焦，能够将材料局部加热并融化，从而实现对材料进行精准加工和制造。
这种技术在许多领域都有广泛的应用，如3D打印、航空航天、医疗器械等。
本文将从不同角度介绍激光融化技术的原理、应用以及未来发展方向。
一、激光融化技术的原理激光融化技术基于激光的作用原理，通过激光束的高能量聚焦，将材料的局部加热至融化温度，随后快速冷却形成所需的结构。
激光束的特点决定了激光融化技术具有高精度、高效率和高质量的特点。
首先，激光束具有很高的能量密度，能够将材料迅速加热至融化点，避免了材料的过热和过烧现象。
其次，激光束的聚焦性能非常好，能够将能量聚焦在非常小的区域内，实现对微小结构的制造。
此外，激光融化技术还具有非接触性和无损性的特点，能够对材料进行精确加工而不会对材料产生损伤。
二、激光融化技术的应用1. 3D打印：激光融化技术在3D打印领域有着广泛的应用。
通过控制激光束的扫描路径和功率，可以将材料层层叠加，逐渐构建出所需的三维结构。
这种制造方式不仅能够实现复杂结构的制造，还能够减少材料的浪费和加工时间，极大地提高了制造效率。
2. 航空航天：激光融化技术在航空航天领域有着重要的应用。
通过激光束的精确控制，可以对航空航天部件进行精细加工和修复。
例如，可以利用激光融化技术对航空发动机叶片进行修复，提高其使用寿命和性能。
此外，激光融化技术还可以用于制造轻量化的航空航天部件，提高飞行器的燃油效率和载荷能力。
3. 医疗器械：激光融化技术在医疗器械制造领域也有广泛的应用。
通过激光束的精确控制，可以制造出高精度和高可靠性的医疗器械。
例如，可以利用激光融化技术制造出精细的假体和人工关节，用于骨科手术。
此外，激光融化技术还可以用于制造微型医疗器械，如激光刀和激光钳，用于微创手术和精细操作。
三、激光融化技术的发展方向随着科技的不断进步，激光融化技术也在不断发展和完善。
未来，激光融化技术可能在以下几个方面有所突破：1. 材料范围扩大：目前，激光融化技术主要应用于金属材料的制造，如钛合金和不锈钢等。
金属冶炼中的合金化技术
扩大应用领域
合金化技术使金属材料能够适应更广泛的应用场景 ，如航空航天、汽车、能源等领域，提高了金属材 料的应用价值。
促进技术创新
合金化技术的发展推动了相关领域的技术进 步和创新，如冶金、铸造、加工等，为工业 生产带来了更多的可能性。
要点一
高温合金
用于制造燃气轮机叶片、核反应堆结构件等关键部件，具 有优异的高温强度和抗疲劳性能。
要点二
不锈钢的合金化
通过添加合金元素，提高不锈钢的耐腐蚀性和强度，用于 制造电力设备的结构件和管道。
CHAPTER 05
合金化技术的发展趋势和挑战
高性能合金的研发
01
02
03
高强度、高韧性
通过合金化技术，研发出 具有高强度、高韧性的合 金材料，以满足各种工程 应用的需求。
浇注
将熔炼好的合金液体浇注入模具中，冷却凝固后形成合金铸件。
热处理和加工
热处理
通过加热、保温和冷却等工艺条件，调整合 金的组织结构，提高其力学性能和耐腐蚀性 能。
加工
对铸件进行机械加工，如切削、钻孔、铣削 等，以满足不同零件的形状和尺寸要求。
CHAPTER 04
合金化技术的应用场景
航空航天领域
CHAPTER 03
合金化技术的工艺流程
配料和混合
配料
根据合金的性能要求，选择合适的金属 元素作为原料，并按照一定比例进行配 料。
VS
混合
将配料好的金属元素进行充分混合，确保 各组分在合金中分布均匀，以提高合金的 均匀性和稳定性。
熔炼和浇注
熔炼
将混合好的原料加热至熔化状态，形成均匀的合金液体。
激光合金化技术的应用1
激光合金化技术的应用1．概述激光表面会自化，是激光束与材料表面互相作用，使材料表面发生物理冶金和化学变化，达到表面强化的方法。
该技术的特点是：一能在材料表面进行各种合金元素的合金化，改善材料表面的性能；二能在零件需要强化部部位进行局部处理。
所以对节能、节材，提高产品零件的使用寿命具有重大的意义。
近一二十年来，许多国家和地区投入了大量的人力与物力进行了此项目的研究。
在基材方面，除研究了多种黑色金属外，还研究了Al合金、Ti合金、Cu合金、Ni基合金等。
添加的合金元素有Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B等。
研究重点有如下四个方面。
1）工艺研究。
包括工艺方法、合金元素和工艺参数（激光光斑形状与尺寸、功率、扫描速度）的选配等研究工作。
2）理论分析。
激光表面合金化的传热、传热数学模型计算。
3）合会层的组织与性能研究。
重点侧重于耐磨性循研究。
有的也进行了耐腐蚀及抗氧化的研究。
4）应用研究。
如在排气阀门、阀座、高速钢刀具及汽车活塞等零件上的应用。
2．激光表面合金化的强化机制1.合金层硬度以WC/Co为添加粉末合金化后，主要获得M6C型碳化物，硬度约为1300HV，由于碳化物量很流，呈细网格分布，基体又为马氏体组织，所以表面硬度达1000HV以上。
Cr3C2合金化以后，组织特征为基体上分布分布着网状碳化物，析出的碳化物为M7C3型，这种碳化物硬度高达2100HV，由于合金碳化物在基体中分布较稀。
故表层硬度也只有1000HV左右。
在WC/Co中加入Ni粉以后，合金层中碳化物类型并不发生变化，但基体中出现奥氏体。
Ni 的加入量越多，奥氏体量越高。
硬度也随着下降。
激光表面合金化，可以根据合金化成分构控制，得到高硬度的合金层。
2. 激光表商合金化的磨损性能静载滑动磨损时，在单束斑扫描条件下，以WC/Co合金化时的耐磨性比45钢（淬火态），提高17倍以上，比Cr3C2/Ni-Cr提高12倍。
宽带扫描时，用WC/Co合金化后，耐磨性提高28倍。
铝合金表面激光合金化工艺研究
铝合金表面激光合金化工艺研究
铝合金表面激光合金化是一种利用激光束对铝合金表面进行加热和熔化，然后将合金粉末喷射到表面形成一层合金涂层的表面处理技术。
该技术可以提高铝合金表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性能，从而提高铝合金的使用寿命和性能。
该技术的主要工艺参数包括激光功率、扫描速度、合金粉末喷射速度和喷射距离等。
其中，激光功率和扫描速度是影响合金化层质量和厚度的关键参数，合金粉末喷射速度和喷射距离则影响合金化层的均匀性和致密性。
在铝合金表面激光合金化过程中，合金粉末的选择也非常重要。
常用的合金粉末包括铝基、镍基、钛基和铜基等合金粉末。
不同的合金粉末可以提供不同的性能，如铝基合金粉末可以提高铝合金表面的硬度和耐磨性，镍基合金粉末可以提高铝合金表面的耐腐蚀性和耐高温性能。
总之，铝合金表面激光合金化技术是一种有效的表面处理技术，可以提高铝合金的性能和使用寿命。
在实际应用中，需要根据具体的应用要求和材料特性选择合适的工艺参数和合金粉末，以获得最佳的合金化效果。
激光表面合金化技术及其应用
激光表面合金化技术及其应用原中国航空精密机械研究所（北京１０００７６）荣烈润一．激光表面合金化的机理和优点制，在基体金属表面可形成深度为０．０１～２ｍｍ的合金层。
由于冷却速度高，故偏析极小，并且细化晶１．激光表面合金化的机理粒效果显著。
激光表面合金化（以下简称激光合金化）是金激光合金化与普通电弧表面硬化和等离子喷涂属材料表面局部改性处理的一种新方法。
它是指在相比，具有下列优越性：①高度聚集的激光照射能高能量激光束的照射下，使基体材料表面的一薄层量，可以通过空气进行远距离传播。
②是一种能有与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，效利用能量的快速表面处理方法。
③可准确地控制形成厚度为１０～１０００肚ｍ的表面熔化层ｌ熔化层在激光功率密度与加热速度，从而变形小，可省去校凝固时获得的冷却速度可达１０５～１０８℃，ｓ，相当于直和打磨加工等后续工序。
④能使难以接近的或局急冷淬火技术所能达到的冷却速度，又由于熔化层部的区域合金化，而且利用激光的深聚焦，在不规液体内存在着扩散作用及表面张力效应等物理现则的零件上可获得均匀的合金化深度。
象，使材料表面在很短时间内（５０～２０００ｐ．ｓ）形成基于上述特点，激光合金化在金属加工业中逐具有要求深度及化学成分的表面合金化层，同时快渐获得应用。
它可使廉价的普通材料表面获得有益速熔化非平衡过程可使合金元素在凝固后的组织达的耐磨、耐腐蚀、耐热等性能，从而可以取代昂贵到很高的过饱和度，从而形成普通合金化方法不容的整体合金，并可改善不锈钢，铝合金和钛合金的易得到的化合物、介稳相及新相，还能在合金化元耐磨性能，也可制备传统冶金工艺无法得到的某些素消耗量很低的情况下获得具有特殊性能的表面合特殊材料，如超导合金、表面金属玻璃等。
适合于金。
由于这种合金化层具有高于基材的某些性能，激光合金化的基材包括：普通碳钢，合金钢、不所以就达到了表面改性处理的目的。
锈钢、铸铁、钛合金及铝合金。
合金化元素包括：２．激光合金化的优点Ｃｒ、Ｎｉ，Ｗ、Ｔｉ、Ｍｎ，Ｂ、Ｖ、Ｃｏ和Ｍｏ等。
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激光表面合金化
在切割、焊接、表面热处理等各种材料加工过程中，像激光这类定向能源的因公比过去使用能源要广泛得多。
激光表面处理的目的是改变表面层的成分和纤维结构，从而提高表面性能，以适应基体材料的需要。
用激光获取表面合金化曾是一种新颖的方法。
控制激光参数可以获得所需的并具有独特显微结构的表面合金，为了改变表面成分的激光改性技术可分激光表面合金化和激光熔敷两类。
激光表面合金化就是利用激光照射使基体表层熔化并把供给表面（预敷或喷射）的合金元素的物质熔化，混合均匀，以便在基体表面形成一个理想的合金层，从而改善表面性质的工艺．这一工艺具有巨大应用前景．人们已对不同的基体和合金元素的组合做了大量研究．激光表面合金化的主要目的是提高材料的物理性能、化学性能及耐磨性．阻碍激光表面合金化广泛应用的障碍，除设备投资大、成本高外，就是在材料处理过程中表面易产生气孔、裂纹以及表面平整度的下降．针对后者，研究者根据具体情况加强研究，已经摸索出一些可行的办法．实验证明，激光表面合金化是提高低碳钢耐腐蚀性能的一种可行的办法。
向激光熔池内添加合金元素的方法有预沉积和共沉积法。
预沉积法包括在基体表面上电镀、热喷涂、真空蒸镀、渗氮、渗硼、渗碳、粘涂疏松的粉末以及安放薄的金属片或丝材等，所有这些都是在激光熔化前完成的。
共沉积法是在基体上激光熔化的同时，往熔池内喷注合金粉末、或送入合金线材或棒料。
近些年来，铝及铝合金激光表面合金化研究比较活跃，而对于碳钢的激光表面合金化的研究并不很多。
然而，实验发现，加人铜合金时，抗腐蚀性能有较大改善。
○1激光表面合金化的优点
合金化时，试样表层和涂层都溶化，被熔的基体材料45钢与表面涂敷合金元素均匀扩散或化合，形成成分与原基体材料不同的新合金层。
通常采用的渗碳、渗氮、渗铬等合金化方法，需要将工件整体放入扩散炉中经长时间加热，通过碳、铬、氮等元素的扩散和气相沉积，来改变金属表面的化学成分，这种方
法周期长、变形大、消耗的合金元素多。
相比之下，激光表面合金化具有效率高、能量消耗少、合金化元素消耗少、变形小等优点。
如：对汽车阀座嵌套的处理，若采用高温合金基材，成本高，加工难，而对灰铁基体工作部位，采用激光合金化解决了这一难题。
先涂一层铬，用６．５kW的CO２激光器溶化形成０．７５mm厚的抗回火含铬耐热表面层，硬度达HRC５５，能经受５４０℃耐磨要求。
A ３钢板上进行NiCrSiB合金的激光合金化处理后，与超合金相当，具有耐高温、抗磨损、耐腐蚀的新合金表面。
曾经对铝合金表面进行过FeNiCr 合金化处理，发现铝合金表面出现Al９NiFe和电力机车技术A１FeNiSi硬化相，强化了铝合金表面。
○2应用
北京机床研究所张魁武等人，用复合合金粉末激光合金化处理的45钢基无心磨床托板，在生产车间使用，比原来CrWMn钢淬火的托板寿命提高3～4倍。
重庆大学、北京工业大学等单位采用激光表面合金化工艺，用于电地冲棒、无缝钢管穿孔顶头及泥浆泵叶轮等零件的处理，都取得了很好的效果。
北京机电研究所曾对拖拉机换向拨叉、螺母攻丝机料道、轴承扩孔模、冲材模、电厂排粉机叶片及铝活塞等零件上的应用研究，都取得了很好的效果。
拨叉，料道使用寿命提高10倍以上。
冲材模、排粉机叶片使用寿命提高2～3倍。
激光表面合金化用于铝活塞环槽强化，经装车试验，运行14.2万km以后拆检结果，头道环槽的侧隙仅为0.11mm，如果减去0.04～0.05mm的原始侧隙，则环槽最大磨损量仅有0.07mm。
○3国内外进展
近一二十年来，许多国家和地区投入了大量的人力与物力进行了激光表面合金化的研究。
在基材方面，除研究了多种黑色金属外，还研究了Al合金、Ti合金、Cu合金、Ni基合金等。
添加的合金元素有Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B等。
研究重点有如下四个方面。
1）工艺研究。
包括工艺方法、合金元素和工艺参数（激光光斑形状与尺寸、功率、扫描速度）的选配等研究工作。
2）理论分析。
激光表面合金化的传热、传热数学模型计算。
3）合会层的组织与性能研究。
重点侧重于耐磨性循研究。
有的也进行了耐腐蚀及抗氧化的研究。
4）应用研究。
如在排气阀门、阀座、高速钢刀具及汽车活塞等零件上的应用。